(57)【要約】  誘電体回路材料を積層する方法が提供される。本方法は、誘電体材料の第1回路層及び第２回路層を準備する工程；第1回路層と第２回路層との間に回路トレース要素を介在させて、第1回路層及び第２回路層を積み重ねる工程；及び回路トレース要素の周囲で第２回路層を第1回路層に超音波溶接する工程を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体回路材料を積層する方法であって：
誘電体材料の第1回路層及び第２回路層を準備する工程；
前記第1回路層と前記第２回路層との間に回路トレース要素を介在させて、前記第1回路層及び前記第２回路層を積み重ねる工程；及び
前記回路トレース要素の周囲で前記第２回路層を前記第1回路層に超音波溶接する工程；
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載された方法であって：
前記誘電体材料が、液晶ポリマー（LCP）、ポリイミド及びポリテトラフルオロエチレン（PTEE）を含む、方法。
【請求項３】
請求項１に記載された方法であって：
前記超音波溶接が、前記第1回路層の材料を溶融させることなく、前記第2回路層の材料を溶融させる工程を含む、方法。
【請求項４】
請求項１に記載された方法であって、さらに：
前記第1回路層内にキャビティを機械加工する工程；
前記第2回路層が前記キャビティにオーバーハングするように前記第1回路層及び前記第2回路層を積み重ねる工程；
前記キャビティの位置において超音波溶接の実行を回避する工程；
を含む方法。
【請求項５】
請求項４に記載された方法であって、さらに：
電気的素子又は熱素子を前記キャビティ内に配置する工程；
を含む方法。
【請求項６】
請求項１に記載された方法であって、さらに：
前記回路トレース要素を接続可能にするビアを設置する工程を含む方法。
【請求項７】
請求項１に記載された方法であって：
さらに、前記超音波溶接の実行が当接する回路トレース要素を結合する、方法。
【請求項８】
請求項１に記載された方法であって：
さらに、前記第２回路層を機械加工し、再溶融し、研磨して所定の厚さ又は表面粗さにする工程を含む方法。
【請求項９】
誘電体回路材料を積層する方法であって：
誘電体材料の第1回路層及び第２回路層を準備する工程；
前記第1回路層の上方表面又は前記第２回路層の下方表面のうちの少なくとも１つの上に、回路トレース要素を配置する工程；
前記第２回路層の前記下方表面が前記第1回路層の前記上方表面の上方にあるように、前記第1回路層及び前記第２回路層を積み重ねる工程；
前記回路トレース要素の周囲で前記第２回路層を前記第1回路層の上に超音波溶接する工程；
を含む方法。
【請求項１０】
請求項９に記載された方法であって：
前記誘電体材料が、液晶ポリマー（LCP）、ポリイミド及びポリテトラフルオロエチレン（PTEE）を含む方法。
【請求項１１】
請求項９に記載された方法であって：
前記超音波溶接が、前記第1回路層の前記上方表面の材料を溶融させることなく、前記第2回路層の前記下方表面の材料を溶融させる工程を含む方法。
【請求項１２】
請求項９に記載された方法であって、さらに：
前記超音波溶接の実行を局所化する工程を含む方法。
【請求項１３】
請求項９に記載された方法であって、さらに：
前記積み重ね及び前記超音波溶接を行うための単一ホーン素子を制御する工程を含む方法。
【請求項１４】
請求項９に記載された方法であって、さらに：
前記第1回路層の前記上方表面内にキャビティを機械加工する工程；
前記第2回路層が前記キャビティにオーバーハングするように前記第1回路層及び前記第2回路層を積み重ねる工程；
前記キャビティの位置において超音波溶接の実行を回避する工程；
を含む方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載された方法であって、さらに：
電気的素子又は熱素子を前記キャビティ内に配置する工程；
を含む方法。
【請求項１６】
請求項９に記載された方法であって、さらに：
前記回路トレース要素を接続可能にするビアを設置する工程を含む方法。
【請求項１７】
請求項９に記載された方法であって、さらに：
前記超音波溶接の実行が当接する回路トレース要素を結合する、方法。
【請求項１８】
請求項９に記載された方法であって、さらに：
前記第２回路層を機械加工し、再溶融し、研磨して所定の厚さ又は表面粗さにする工程を含む方法。
【請求項１９】
誘電体回路材料を積層する方法であって：
第１誘電体材料の第1回路層及び第２誘電体材料の第２回路層を準備する工程；
前記第1回路層と前記第２回路層との間に回路トレース要素を介在させて、前記第1回路層及び前記第２回路層を積み重ねる工程；
前記回路トレース要素の周囲で前記第２回路層を前記第1回路層に超音波溶接する工程；
前記回路トレース要素を、当接する他の回路トレース要素に結合する工程；
前記第1回路層及び前記第２回路層が当接する回路トレース要素に、前記第1回路層及び前記第２回路層を結合する工程；
を含む方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載された方法であって：
前記結合が、超音波溶接、ハンダ付け及び接着のうちの少なくとも１つにより達成される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、誘電体回路材料の超音波ラミネーション（lamination）に関する。
【０００２】
電気回路は、多くの異なるプロセスによって形成することができる。ある場合には、液晶ポリマー（LCP）などの誘電体回路材料の層を金属ヒートシンクその他の誘電体層に積層（laminate）し、得られたデバイスをオートクレーブ（autoclave）に入れて硬化させる。これらのタイプのプロセスは、しばしば低速であり、労働集約的であり、高価であり、達成可能な形態のデバイス特徴のタイプを制限してしまう傾向がある。他の場合には、大きな熱プレスを用いて回路材料を積層することができるが、そのような装置は高価であり、操作上のリスクをもたらす。
【０００３】
超音波溶接は、加圧下で一緒に保持されている被加工物に高周波超音波振動を局所的に印加して固体超音波溶接を形成する工業的技術である。超音波溶接は、プラスチック、特に異種材料を接合するために一般的に使用される。超音波溶接では、材料を結合するのに要する結合ボルト、釘、はんだ材料又は接着剤というものはない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態に従った誘電体回路材料を積層する方法は：誘電体材料の第1回路層及び第２回路層を準備する工程；前記第1回路層と前記第２回路層との間に回路トレース要素を介在させて、前記第1回路層及び前記第２回路層を積み重ねる工程；及び前記回路トレース要素の周囲で前記第２回路層を前記第1回路層に超音波溶接する工程を含む。
【０００５】
他の実施形態に従った誘電体回路材料を積層する方法は：誘電体材料の第1回路層及び第２回路層を準備する工程；前記第1回路層の上方表面又は前記第２回路層の下方表面のうちの少なくとも１つの上に、回路トレース要素を配置する工程；前記第２回路層の前記下方表面が前記第1回路層の前記上方表面の上方にあるように、前記第1回路層及び前記第２回路層を積み重ねる工程；前記回路トレース要素の周囲で前記第２回路層を前記第1回路層上に超音波溶接する工程を含む。
【０００６】
さらに他の実施形態に従った誘電体回路材料を積層する方法は：第１誘電体材料の第1回路層及び第２誘電体材料の第２回路層を準備する工程；前記第1回路層と前記第２回路層との間に回路トレース要素を介在させて、前記第1回路層及び前記第２回路層を積み重ねる工程；前記回路トレース要素の周囲で前記第２回路層を前記第1回路層に超音波溶接する工程；前記回路トレース要素を、当接する他の回路トレース要素に結合する工程；前記第1回路層及び前記第２回路層が当接する回路トレース要素に、前記第1回路層及び前記第２回路層を結合する工程を含む。
【０００７】
さらなる特徴及び利点が、本発明の技術によって実現される。本発明の他の実施形態及び態様は、本明細書に詳細に記載され、請求項に係る発明の一部とみなされる。上記利点及び特徴を有する本発明のより良い理解のために、明細書及び図面を参照されたい。
【０００８】
本開示をより完全に理解するために、添付の図面及び詳細な説明に関連して以下の図面の簡単な説明を参照する。同様の参照番号は同様の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に従った回路層形成の側面図である。
【図２】実施形態に従った回路層上に配置された回路トレース要素の側面図である。
【図３】実施形態に従った回路トレース要素及び回路層の相対的な厚さの拡大側面図である。
【図４】第１回路層及び第２回路層の積み重ね（stacking）を示す側面図である。
【図５】回路トレース要素が交差して重なる第１回路層及び第２回路層の積み重ねを示す側面図である
【図６】実施形態に従った超音波溶接ホーン（horn）及び超音波溶接装置の側面図である。
【図７】第１回路層と第２回路層との間の空間に流入した誘電体材料の拡大側面図である。
【図８】代替実施形態に従った、第１回路層内に形成されたキャビティ上の第２回路層のオーバーハングを示す側面図である。
【図９】代替実施形態に従った、第１回路層内に形成されたキャビティ上の第２回路層のオーバーハングを示す側面図である。
【図１０】実施形態に従った、第２回路層の機械加工、再溶融又は研磨を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に説明するように、超音波エネルギーをラミネート材料の積み重ねに印加して、ラミネート材料間の界面に摩擦及び熱を発生させる。そのような摩擦及び熱は、ラミネート材料間の強力な超音波溶接をもたらす。さらに、超音波エネルギーを選択的に印加することができるので、誘電体のようなラミネート材料は、誘電体材料がキャビティ内に垂れ下がることなく、キャビティ上に積層することができる。以下の説明はまた、２層の誘電体膜間、金属層・誘電体膜間、及び金属層・金属層間での超音波接合を容易にするために、誘電体膜及び／又は金属層の適切な表面処理及び/又はバルク処理の性能に関する記述である。表面処理及び／又はバルク処理は、例えば、ボンディング処理中の様々な材料のボンディング及び安定性のための誘電体膜及び／又は金属層の化学的及び熱的処理を含み得る。
【００１１】
本明細書で提供される説明の目的のために、用語「超音波溶接」又はUWは、超音波圧密（UC）処理、超音波添加物製造（UAM）及び／又は他の類似の処理方法と同義であると理解されたい。超音波溶接用語の使用は、明瞭さと簡潔さのために提供されており、アプリケーション全体の範囲を限定することを意図するものではない。
【００１２】
図１乃至７を参照すると、誘電体回路材料の積層方法が提供されている。
【００１３】
図１に示すように、本方法は、誘電体材料の第１回路層10及び誘電体材料の第２回路層20を準備する初期段階を含む。第１回路層10及び第２回路層20の誘電体材料は、同様であっても異なっていてもよく、例えば、液晶ポリマー（LCP）又は他の同様の材料を含んでもよい。いったん準備されると、第１回路層10は、本体11と、下方表面12と、上方表面13とを有する。下方表面12は、安定性と支持のために、アンビル14上に着座することができる。上方表面13は、全体的に平坦化されていても平坦であってもよい。一方、第２回路層20は、本体21と、下方表面22と、上方表面23とを有する。下方表面22と上方表面23とは、一般に平坦化されて平坦であってもよい。
【００１４】
図２に示すように、本方法はまた、第１回路層10の上方表面13及び第２回路層20の下方表面22のうち少なくとも一方の上に回路トレース要素30を配置することを含む（前者の場合は図2に示されているが、実寸ではない。）。いずれの場合も、回路トレース要素30は、導電性材料から形成され、上方表面13又は下方表面22に対して実質的に平坦に置かれるように成形することができる。回路トレース要素30は、上方表面13又は下方表面22に沿って連続的に延在していてもよいし、複数の回路トレース要素30として設けられていてもよい。図３に示すように、回路トレース要素30の厚さは、第１回路層10又は第２回路層20の対応する厚さよりも実質的に小さい。
【００１５】
回路トレース要素30は、例えば、第1回路層10の上方表面13上の金属トレースとして設けられても良く、第２回路層の下方表面22上の金属接地ビアとして設けることもできることを理解されたい。回路トレース要素30は、第２回路層20の上方表面23上の金属トレースとして、及び追加の回路層（多くの層が設けられている場合にはその他の層）の下方表面上の金属接地ビアとして設けられても良い。以下の説明は、そのような実施形態に一般的に関連するが、他の配列及び構成にも適用可能である。
【００１６】
図４に示すように、本方法は、第１回路層10及び第２回路層20の積み重ねの中間ステージ動作を含む。実施形態によれば、このような積み重ねは、第２回路層20の下方表面22が、第１回路層10の上方表面13の上方に位置するように行うことができる。こうして、第1回路層10の上方表面13上に回路トレース要素30が配置される場合には、第２回路層20の下方表面22は、第１回路層10の上方表面13に接近するがそこに実際には接触せず、回路トレース要素30の上方表面31に実際に接触する。逆に、第２回路層20の下方表面22上に回路トレース要素30が配置される場合には、第１回路層10の上方表面13は、第２回路層20の下方表面22に接近するがそこに実際には接触せず、回路トレース要素30の下方表面32に実際に接触する。
【００１７】
複数の回路トレース要素30が第１回路層10の上方表面13上、及び第２回路層20の下方表面22上に配置される実施形態によれば、回路トレース要素30は互いに交差して重なり合う（重複する）ことが可能である。このような場合、第1回路層10及び第2回路層20が積み重ねられると、図5に示すように、交差及び重複する複数の回路トレース要素30は、交点33で互いに当接する。すなわち、第1回路層10の回路トレース要素30の上方表面31は、交差状況及び重複状況が存在する交点33において、第2回路層20の回路トレース要素30の下方表面32に当接する。
【００１８】
積み重ね動作の終わりに、第2回路層20の下方表面22は、当接状態又は距離Dをもって、第1回路層10の上方表面13の上方に位置する。前者（当接状態）の場合、すなわち第２回路層20が重力負荷下で従順的又は変形可能である場合、第2回路層20の下方表面22は、回路トレース要素30の側壁34に近接する小さな領域を除いて、第１回路層10の上方表面13に当接する。後者（距離Ｄ）の場合、すなわち第２回路層20が実質的に剛性である場合において、複数の回路トレース要素30が交差せず非重複であるとき、距離Ｄは、回路トレース要素30の厚さ（図４参照）と実質的に等しい。或いは、複数の回路トレース要素30が交差して重複しているとき、距離Ｄは、複数の回路トレース要素30の合計の厚さに実質的に等価である。いずれのときでも、空隙40の領域は、距離Ｄに実質的に等価な厚さを有し、第1回路層10の上方表面13と第2回路層20の下方表面22との間に規定され、回路トレース要素30の側壁34によって画定される。
【００１９】
後の段階である図6及び図7を参照すると、本方法は、超音波溶接ホーン50を第２回路層20に対して位置付ける工程を含む。超音波溶接ホーン（ultrasonic  welding  horn）50は、コンバータ又は圧電トランスデューサが結合されるソノトロード（sonotrode）及びオプションのブースタを含む。結果として、超音波溶接ホーン50のグリップ表面51が第2回路層20の上方表面23に当接し、超音波溶着ホーン50を作動させて、第２回路層20の下方表面22を、回路トレース要素30の周囲で、第１回路層10の上方表面13上に超音波溶着する。実施形態によれば、そのような超音波溶接は、上方表面23に対してグリップ表面51を高周波（例えば、約15kHz,  20kHz,  30kHz,  35kHz,  40kHz及び70kHzの1種又は複数種の超音波周波）で振動させて、第２回路層20の温度をその融点以上に上昇させる工程を含む。特に、第2回路層20の少なくとも下方表面22の誘電体材料が融解し、第1回路層10の上方表面13の誘電体材料が同様には融解しない程度に、第２回路層20の温度をその融点以上に上昇させるように、超音波溶接が行われる。
【００２０】
超音波溶着の結果として、そして図7に示すように、第2回路層20の下方表面22の融解誘電体材料は、第1回路層10と第2回路層20との間に存在する空隙の至るところに流入し、最終的に空隙を充填する。このように、超音波溶接が完了すると、第2回路層20の流入した誘電体材料は、第1回路層10の上方表面13及び回路トレース要素30の側壁34の露出部分の実質的全体に対して接触する。
【００２１】
引き続き図6を参照すると、グリップ表面51の領域又は輪郭（profile）は、第2回路層20の上方表面23の対応する領域又は輪郭より小さくてもよく、超音波溶接ホーン50は、超音波溶接装置52内に支持的に配置されてもよい。溶接装置52は、アンビル14と、コントローラ53と、サーボ制御要素54とを含んでよい。サーボ制御要素54は、超音波溶接ホーン50を操作して、上方表面23の特定の点にグリップ表面51を位置決めし、グリップ表面51を介して上方表面23の特定の点に圧力を印加する。サーボ制御要素54は、コントローラ53によって制御される。
【００２２】
コントローラ53は、処理回路及びメモリーを含んでよい。メモリーは、回路トレース要素30のマップ、及び実行可能命令を記憶しており、さらに第1回路層10及び第2回路層20及び回路トレース要素30の材料特性を記憶している。これらの実行可能な命令は、実行されると、処理回路にマップを読み取らせて、回路トレース要素30に対する特定の位置で超音波溶接を行うようにさせる。例えば、実行可能命令は、処理回路にマップを読み取らせて、回路トレース要素30の上ではなくいずれかの側部で超音波溶接を行わせる。別の例として、実行可能命令は、処理回路にマップを読み取らせて、回路トレース要素30のいずれかの側部で第1エネルギーレベル範囲で超音波溶接を行うようにしてもよく、それによって誘電体材料を誘電体材料に結合させ、回路トレース要素30上のエネルギーを変化させて誘電体材料を金属性／導電性の回路トレース要素材料に結合することができる。
【００２３】
実施形態によれば、超音波溶接ホーン50は、積み重ねと超音波溶接の両方を行う単一のホーン要素として提供されてもよい。そのような場合、超音波溶接ホーン50は、グリップ表面51及び分配機構（dispensing  feature）55を含むことができる。分配機構55は、グリップ表面51に近接して配置され、第１回路層10の上に第２回路層20を分配するように構成される。
【００２４】
図８及び図９を参照して図１に示されるような別の実施形態によれば、第1回路層10及び第2回路層20の積み重ねに先立って、本方法は、第1回路層10の少なくとも上方表面13内に、キャビティ60を整合させる工程をさらに含む。キャビティ60は、第1回路層10の周辺（図８参照）又は第1回路層10の中央部分（図９参照）に整合される。キャビティ60内に、デバイス61（例えば、電子素子、センサー素子、放熱素子）を選択的に配置する。続いて、本方法は、都合良く第1回路層10及び第2回路層20の積み重ねを実行して、それにより第２回路層20の対応する部分がキャビティ60の上にオーバーハングし、第2回路層20のキャビティ60内への垂れ下がりを制限するようにキャビティ60の位置での超音波溶接の実行を回避する。
【００２５】
回路トレース要素30は、ビア70（図2参照）の手段を介して、他の回路トレース要素、電気素子、センサー、放熱デバイスなどに電気的に接続することができる。ビア70は、積み重ね作業又は結合の前又は後の任意の時点で、第1回路層10又は第2回路層10内に形成される。結合は、超音波溶接の二次的結果として、例えば、交差する回路トレース要素30と重なり合う回路トレース要素30との間に形成することができる。すなわち、積み重ね動作に続いて、回路トレース要素30が互いに交差して重なり合う（すなわち、回路トレース要素30同士が当接する）場合、超音波溶接により、第2回路層20を第1回路層10に接合し、複数の交差及び重複する回路トレース要素30を結合することができる。
【００２６】
実施形態によれば、前述したように、誘電体材料を他の誘電体材料へと結合し、回路トレース要素30を他の回路トレース要素30へと結合し、また誘電体材料を回路トレース要素30の金属性／導電性材料へと結合するために上述の超音波溶接を使用できるように、超音波溶接処理のエネルギーを変化することができる。いずれの場合も、超音波溶接のエネルギーレベル範囲は、超音波溶接ホーン50のマップに対する位置と、第1回路層10、第2回路層20及び回路トレース要素30の様々な材料の融解／結合温度に基づいて、コントローラ53により決定される。
【００２７】
図10を参照するに、本方法は、所定の厚さ又は表面粗さ（例えば、14μmRA又は100grit）を有するように、第2回路層20を機械加工し、再融解し又は研磨する工程さらに含んでもよい。このような事後的処理は、グリップ表面51との磨耗接触に起因する上方表面23の表面粗さを補正し、及び／又は第2回路層20の誘電体材料の流動に起因する不均一厚さを補正するために行うことができる。
【００２８】
上記のプロセスを用いて回路素子を形成する場合、回路材料は数時間（〜300℃以上）の高熱にさらされない。これにより、より低温の材料及びより熱に敏感な多くの部品の使用が可能になり、サイクル時間が約8時間からわずか数分間に短縮され、コストが削減され、自動化された制御が採用される。また、アタッチメントが必要な場所にのみ誘電体を選択的に溶接することができるので、キャビティ内への誘電体のたわみを生じさせることなく、キャビティ上の誘電体の積層が可能である。さらに別の利点として、回路アセンブリのサイズは、オートクレーブ（autoclave）に適合するものに限定されず、大きなパネルを可能にする。
【００２９】
上述のプロセスは、様々な回路タイプに適用可能である。回路タイプは、従来のPOM（Polymer  On  Metal）回路、mmWアプリケーション用の低コスト多層POM回路、キャビティを備えた高度な回路、オーバーハング又はサスペンションポリマー層、選択的ボンディング及び低温材料、集積無線周波数スロットラジエータを備えた電力分割回路、低損失伝送ライン及び同軸伝送ライン（例えば、プリントされた金属トレースを吊るすための誘電体ストラップ）を含む。
【００３０】
以下の特許請求の範囲内の全ての手段又はステップを伴う機能的要素に対応する構造、材料、動作、及び均等物は、特定的にクレームされる他の請求項要素と組み合わせて機能を実行するための構造、材料又は動作を含むことを意図している。本発明の説明が例示及び説明のために提示されてきたが、網羅的であること、又は開示された形態の発明に限定されることを意図していない。本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、多くの変更及び変形が当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及び実際の適用を最もよく説明し、当業者が意図された特定の用途に適した様々な変更を伴う様々な実施形態について本発明を理解できるように、選択され及び記述された。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態を記載してきたが、当業者は、現在も将来も、以下の請求項の範囲内にある様々な改善及び拡張を行うことができることが理解するであろう。これらの請求項は、最初に記載された発明に対する適切な保護を維持すると解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019510378.tif 000009
【図８】
2019510378.tif 000010
【図９】
2019510378.tif 000011
【図１０】
2019510378.tif 000012
【国際調査報告】
2019510378.tif 000013
2019510378.tif 000014